特開 2023-31948 電動機及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023031948

(43)【公開日】2023-03-09

(54)【発明の名称】電動機及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/12 20060101AFI20230302BHJP

【ＦＩ】

H02K1/12 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021137747

(22)【出願日】2021-08-26

(71)【出願人】

【識別番号】000104630

【氏名又は名称】キヤノンプレシジョン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(72)【発明者】

【氏名】小泉 新也

【テーマコード（参考）】

5H601

【Ｆターム（参考）】

5H601AA09

5H601AA22

5H601AA23

5H601CC01

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD09

5H601DD11

5H601DD18

5H601DD25

5H601EE12

5H601GA02

5H601GD02

5H601GD08

5H601JJ04

5H601KK14

(57)【要約】

【課題】良品率と生産性を向上させながら、コギングトルク及びモータ特性の低下を抑制可能な電動機及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】電動機は、ステータ部と、ロータ部とを有し、ステータ部は、コイルと、バックヨークとを備え、ロータ部は、磁石と、回転軸とを備え、バックヨークは、折り曲げ可能な連結部と、第１係合部と第２係合部とが係合されることで構成される締結部とを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータ部と、ロータ部とを有し、
前記ステータ部は、コイルと、バックヨークとを備え、
前記ロータ部は、磁石と、回転軸とを備え、
前記バックヨークは、折り曲げ可能な連結部と、第１係合部と第２係合部とが係合されることで構成される締結部とを含むことを特徴とする電動機。

【請求項2】

前記連結部の前記バックヨークの外周上の位置と前記回転軸の軸中心とを結ぶ直線と前記締結部の前記バックヨークの外周上の位置と前記軸中心とを結ぶ直線とのなす角度は、１１９度以上１２５度未満であることを特徴とする請求項１に記載の電動機。

【請求項3】

前記連結部は、前記電動機の径方向に対して所定の角度だけ傾斜した２つの傾斜面と、前記２つの傾斜面を接続する接続部とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機。

【請求項4】

前記所定の角度は、１０度以上７０度未満であることを特徴とする請求項３に記載の電動機。

【請求項5】

前記接続部には、逃げ部が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の電動機。

【請求項6】

前記第１係合部と前記第２係合部は、スナップフィット方式で係合されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の電動機。

【請求項7】

前記第１係合部と前記第２係合部は、摩擦抵抗で係合されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の電動機。

【請求項8】

前記第１係合部と前記第２係合部は、接合部材で係合されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の電動機。

【請求項9】

前記第１係合部と前記第２係合部は、溶接で係合されることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の電動機。

【請求項10】

前記締結部を押さえる押え部材を更に有することを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の電動機。

【請求項11】

前記連結部は、２つの連結部からなることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の電動機。

【請求項12】

前記コイルは、亀甲巻コアレスコイルであることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の電動機。

【請求項13】

コイルと、第１係合部、第２係合部、及び折り曲げ可能な連結部を含むバックヨークとを備える電動機の製造方法であって、
円弧状の前記バックヨークの内側に前記コイルを挿入するステップと、
前記コイルを前記バックヨークに対して所定の位置で固定するステップと、
前記連結部を折り曲げ、前記バックヨークが円環状となるように前記第１係合部と前記第２係合部とを係合するステップとを有することを特徴とする電動機の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コギングトルクを低減させるための電動機及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、亀甲巻コアレスコイルを用いたコアレススロットレス型の電動機が提案されている。特許文献１には、バックヨークをコイルの巻線の中央帯幅部付近に装着するモータが開示されている。特許文献２には、バックヨークとして複数の弧状コア片からなるリング状積層コアを備えるモータが開示されている。特許文献３には、複数の円環状部品が、継ぎ目部分が軸方向に平行に並ばないように軸方向に沿って積層されたバックヨークを有するモータが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－１７１７３５号公報

【特許文献2】特開平０８－１４０２９４号公報

【特許文献3】特開２０１３－０６２９６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のモータでは、コイルエンドによって、コイルに傷がついてしまい、バックヨークを装着することができない場合がある。また、特許文献２のモータでは、大きなコギングトルクが発生してしまう。また、特許文献３のモータでは、コギングトルクの発生を抑制可能であるが、モータ特性が低下し、更には組立が複雑である。

【0005】

本発明は、良品率と生産性を向上させながら、コギングトルク及びモータ特性の低下を抑制可能な電動機及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としての電動機は、ステータ部と、ロータ部とを有し、ステータ部は、コイルと、バックヨークとを備え、ロータ部は、磁石と、回転軸とを備え、バックヨークは、折り曲げ可能な連結部と、第１係合部と第２係合部とが係合されることで構成される締結部とを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、良品率と生産性を向上させながら、コギングトルク及びモータ特性の低下を抑制可能な電動機及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】コアレススロットレス型の電動機の断面図である。

【図2】初期状態のバックヨークを示す図である。

【図3】バックヨークにコイルを挿入する工程を示す図である。

【図4】第１係合部と第２係合部とを係合する工程を示す図である。

【図5】バックヨークの別の構成を示す図である。

【図6】コイルの成形方法の説明図である。

【図7】連結部のＦＥＭ解析の結果を示す図である。

【図8】コギングトルク特性のＦＥＭ解析の結果を示す図である。

【図9】ＴＮＩ特性のＦＥＭ解析の結果を示す図である。

【図10】コギングトルクのピーク値を比較した図である。

【図11】バックヨークの設置角度によるトルク定数を比較した図である。

【図12】比較例のバックヨークの斜視図である。

【図13】従来例のバックヨークの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

【0010】

図１は、コアレススロットレス型の電動機５０の断面図である。電動機５０は、外筒１、ステータ部２０、及びロータ部３０を有する。

【0011】

ステータ部２０は、バックヨーク２及び亀甲巻コアレスコイル（以下、コイル）３を備える。バックヨーク２は、コイル３の外周に設けられ、折り曲げ可能な連結部２１と、第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂとが係合されることで構成される締結部２２とを含み、外筒１に固着される。コイル３は、バックヨーク２に固着される。バックヨーク２は主に鉄にケイ素を添加した電磁鋼板等の磁性材料で構成されるが、外筒１はアルミニウム合金やナイロン等の非磁性材料で構成されてもよい。

【0012】

ロータ部３０は、磁石４、鉄心５、及び回転軸６を備える。磁石４は、コイル３との間に所定の隙間が形成された状態で配置される。なお、磁石４と回転軸６とを直結させてもよい。この場合、鉄心５を設けなくてもよい。

【0013】

以下、電動機５０の製造方法について説明する。図２は、初期状態のバックヨーク２を示す図である。初期状態のバックヨーク２は、第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂとが係合されておらず、円弧状に構成されている。ここで、円弧状とは、厳密に円弧状である場合だけでなく、実質的に円弧状（略円弧状）である場合も含んでいるものとする。

【0014】

まず、図３に示されるように、初期状態のバックヨーク２の内側にコイル３を挿入する。このとき、図３（ａ）に示されるように、バックヨーク２とコイル３との間には、所定の隙間１０が形成されている。

【0015】

次に、コイル３をバックヨーク２に対して所定の位置で固定する。

【0016】

最後に、図４に示されるように、連結部２１を折り曲げ、バックヨーク２が円環状となるように第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂとを係合する。第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂとを結合することで、締結部２２が構成される。本実施形態では、第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂは、スナップフィット方式で係合される。

【0017】

なお、第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂは、図５に示されるように、摩擦抵抗で係合されてもよい。また、第１係合部２２ａと第２係合部２２ｂは、接着剤等の接合部材で係合されてもよいし、溶接で係合されてもよい。また、押え部材で締結部２２のスプリングバックを押さえる構成を採用してもよい。押え部材として例えば、外筒１を用いてもよい。

【0018】

上記方法でコイル３の外側にバックヨーク２を装着すると、コイル３に擦れや傷が付かずに、容易にステータ部２０を製造することが可能である。

【0019】

以下、図６を参照して、コイル３の成形方法について説明する。まず、図６（ａ）に示されるように、成形前のコイル３を平形に成形する。次に、図６（ｂ）に示されるように成形前のコイル３を成形治具４０の内径に倣わせてカーリングし、コイル３を図６（ｄ）に示されるように円筒状に成形する。図６（ｃ）に示されるように、コイル３では、コイル重なり部３ｂの外径がコイルストレート部３ｃの外径よりも大きい。コイルストレート部３ｃに特許文献１に開示されている円筒状のバックヨークを装着することで、磁石４からコイルストレート部３ｃが受ける鎖交磁束を通りやすくして電動機５０の発生トルクの要因であるローレンツ力を効率よく得ることができる。しかしながら、コイル重なり部３ｂによりコイルストレート部３ｃに円筒状のバックヨークを装着することができないため、製造が困難であったり、コイル重なり部３ｂに擦れや傷が付き絶縁不良を起こしたりする場合がある。本実施形態では、上述した方法でバックヨーク２をコイル３に装着するため、円筒状のバックヨークをコイル３に装着することで生じる問題が発生することはない。

【0020】

図７は、連結部２１の応力分布を示すＦＥＭ（有限要素法：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）解析の結果を示す図である。図７（ａ）は、Ｖ字形状で構成された連結部２１を折り曲げた際のＦＥＭ解析の結果を示している。図７（ｂ）は、Ｒ形状で構成された連結部２１を折り曲げた際のＦＥＭ解析の結果を示している。

【0021】

図７（ａ）では、Ｖ字形状の底に応力が集中している。そのため、締結部２２が構成された際に、バックヨーク２が綺麗な円環状になる。一方、図７（ｂ）では、応力が集中せず分散している。締結部２２が構成された際に、バックヨーク２が綺麗な円環状にならない。そのため、連結部２１は、Ｖ字形状で構成する（電動機５０の径方向に対して所定の角度だけ傾斜した２つの傾斜面と２つの傾斜面を接続する接続部とを含む）ことが好ましい。

【0022】

なお、Ｖ字形状の２つの傾斜面を接続する接続部に逃げ部２１ａが設けられていてもよい。逃げ部２１ａの大きさや形状は、適宜ＦＥＭ解析による最適化を図るとよい。

【0023】

また、本実施形態では、連結部２１は２つ設けられているが、本発明はこれに限定されない。ただし、連結部２１が１つだけ設けられている場合、コギングトルクが大きくなってしまうため、好ましくない。連結部２１が３つ以上設けられている場合、バックヨーク２を綺麗な円環状にするためには連結部２１を折り曲げた際に、コイル３に接触させ倣わせる必要があり、コイル３に擦れや傷が付いてしまう問題が発生する場合があるため、好ましくない。したがって、連結部２１は、２つ設けられていることが好ましい。なお、連結部２１が３つ以上設けられている場合、コイル３の内径側に円筒形状を維持する棒状の治具等を挿入し、コイルストレート部３ｃの外径に外径側に巻かれた絶縁材を介して、バックヨーク２の内側を倣わせることで、上記問題を防ぐことができる。

【0024】

以下、本実施形態の構成の具体的な効果について説明する。図８は、コギングトルク特性のＦＥＭ解析の結果を示す図である。図８では、図１と図５のバックヨーク２、図１２（ａ）の締結部がスリット形状で構成されたバックヨーク、図１２（ｂ）の連結部が設けられていないバックヨーク、及び図１３（ａ）の特許文献３のバックヨークを使用したモデルが比較されている。図８に示されるように、図１と図５のバックヨーク２を使用したモデルでは、コギングトルクのピーク値が他のモデルよりも低くなっている。

【0025】

図９は、ＴＮＩ特性のＦＥＭ解析の結果を示す図である。図９（ａ）では、図１のバックヨーク２及び図１３（ｂ）の特許文献１のバックヨークを使用したモデルが比較されている。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＦＥＭ解析の結果を数字で比較した表である。図９（ｂ）に示されるように、図１のバックヨーク２を使用したモデルのＴＮＩ特性は、特許文献１のバックヨークを使用したモデルとほぼ同じである。

【0026】

図１０は、図１のバックヨーク２を使用したモデルのコギングトルクのピーク値と図１３（ａ）のバックヨークを使用したモデルのコギングトルクのピーク値との比較図である。

【0027】

図１０（ａ）の横軸は、図１に示される連結部２１のバックヨーク２の外周上の位置と回転軸６の軸中心とを結ぶ直線と締結部２２のバックヨーク２の外周上の位置と軸中心とを結ぶ直線とのなす所定の角度Ａである。なお、外周上の位置とは、各部のバックヨーク２の周方向における中心位置のことである。図１０（ａ）に示されるように、図１のバックヨーク２を使用したモデルのコギングトルクのピーク値は、所定の角度Ａが１１９度以上１２５度未満である場合に、図１３（ａ）のバックヨークを使用したモデルのコギングトルクのピーク値を下回っている。図１のバックヨーク２では、所定の角度Ａは１２２度が最適である。

【0028】

連結部２１は、本実施形態ではＶ字形状である。すなわち、連結部２１は、図１に示されるように、電動機５０の径方向に対して所定の角度Ｂだけ傾斜した２つの傾斜面を含む。図１０（ｂ）の横軸は、所定の角度Ｂである。図１０（ｂ）に示されるように、図１のバックヨーク２を使用したモデルのコギングトルクのピーク値は、所定の角度Ｂが１０度以上７０度未満である場合に、図１３（ａ）のバックヨークを使用したモデルのコギングトルクのピーク値を下回っている。図１のバックヨーク２では、所定の角度Ｂは３０度が最適である。

【0029】

図１１（ａ）は、コイル３の角度は固定でバックヨーク２の設置角度Ｃ（図１１（ｂ参照）を５度ずつ回転移動させた際の、トルク定数と、初期位置（設置角度Ｃが０度）のトルク定数を基準にした際のトルク定数の変化率とを比較した図である。図１１（ａ）に示されるように、トルク定数は、設置角度Ｃに関係なく、ほぼ一定の値となるため、電動機５０の生産性は良いと言える。

【0030】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0031】

２ バックヨーク
２１ 連結部
２２ 締結部
２２ａ 第１係合部
２２ｂ 第２係合部
３ 亀甲巻コアレスコイル（コアレスコイル）
４ 磁石
６ 回転軸
２０ ステータ部
３０ ロータ部
５０ 電動機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】